CN113991892A - 用于无线电能传输的双线圈结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种双线圈结构。一种用于无线电能传输的双线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；还包括一双线圈结构，双线圈结构位于原边电路或副边电路中的至少一处，双线圈结构包括：一主线圈，与主补偿电容串联后与辅助补偿电容并联，再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路；一从线圈，与从补偿电容串联形成从谐振电路；主谐振电路与从谐振电路并联后连接到外部电路。本发明在原边电路或副边电路中的至少一处设置双线圈结构后，原边和副边两侧的在互感范围内可始终保持稳定，进而在线圈偏移下保证了电流输出的稳定性。

Description

用于无线电能传输的双线圈结构

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种双线圈结构。

背景技术

无线充电技术源于无线电能传输技术可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式，大部分电动汽车充电采用谐振式方式，通常由供电设备将能量传送至用电装置。由于供电设备与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此供电设备及用电装置都可以做到无导电接点外露。

无线充电技术包括多种方式，其中电磁感应式包括原边线圈和副边线圈，原边线圈具有一定频率的交流电，通过电磁感应在副边线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应式。现有的无线充电电路，为了扩大无线充电范围，会在原边电路部分设置两个原边线圈，或者在副边电路部分设置两个副边线圈，当原边线圈或副边线圈存在偏移时，由于线圈互感的问题，会存在输入阻抗不稳定从而引起副边电路输出不稳定的问题。

发明内容

本发明针对电磁感应式的无线充电电路中，当线圈存在偏移时，电路输出不稳定的技术问题，目的在于提供一种用于无线电能传输的双线圈结构。

一种用于无线电能传输的双线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；

还包括一双线圈结构，所述双线圈结构位于所述原边电路或所述副边电路中的至少一处，所述双线圈结构包括：

一主线圈，与主补偿电容串联后与辅助补偿电容并联，再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路；

一从线圈，与从补偿电容串联形成从谐振电路；

所述主谐振电路与所述从谐振电路并联后连接到外部电路。

所述主线圈、所述从线圈分别与所述原边电路、所述副边电路中的其他线圈存在磁场耦合。

具体的，当所述原边电路设有所述双线圈结构时，所述主线圈、所述从线圈、所述副边电路中的副边线圈两两之间皆存在磁场耦合；

当所述副边电路设有所述双线圈结构时，所述主线圈、所述从线圈、所述原边电路中的原边线圈两两之间皆存在磁场耦合；

当所述原边电路和所述副边电路均设有所述双线圈结构时，所述主线圈、所述从线圈、对边的所述主线圈和所述从线圈两两之间皆存在磁场耦合。

所述辅助补偿电感与所述主线圈或所述从线圈集成在同一个磁芯上或远离所述主线圈或所述从线圈。

所述辅助补偿电感分别与所述原边电路、所述副边电路中的其他线圈存在磁场耦合或存在解耦。

具体的，当所述原边电路设有所述双线圈结构时，所述辅助补偿电感分别与所述主线圈、所述从线圈、所述副边电路中的副边线圈存在磁场耦合或存在解耦；

当所述副边电路设有所述双线圈结构时，所述辅助补偿电感分别与所述主线圈、所述从线圈、所述原边电路中的原边线圈存在磁场耦合或存在解耦；

当所述原边电路和所述副边电路均设有所述双线圈结构时，每个所述辅助补偿电感分别与各自对应的所述主线圈和所述从线圈、对边的所述主线圈和所述从线圈、另一个所述辅助补偿电感存在磁场耦合或存在解耦。

所述主线圈与所述从线圈之间存在磁场耦合。

所述主线圈与所述从线圈处于同一层结构，所述主线圈位于所述从线圈的内侧或外侧。

所述主线圈与所述从线圈处于两层结构，所述主线圈位于所述从线圈的上方或下方。

所述主线圈与所述从线圈之间存在解耦。

所述主线圈与所述从线圈通过部分线圈交叠实现解耦。

所述主线圈与所述主补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₁为所述主线圈的自感，C₁为所述主补偿电容的电容值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

当：

时，所述双线圈结构中不接入所述主补偿电容，所述主线圈直接与所述辅助补偿电容并联再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路。

所述辅助补偿电感与所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L_f为所述辅助补偿电感的电感值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

所述从线圈与所述从补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₂为所述从线圈的自感，C₂为所述从补偿电容的电容值。

本发明的积极进步效果在于：本发明采用用于无线电能传输的双线圈结构，在原边电路或副边电路中的至少一处设置双线圈结构后，原边和副边两侧的在互感范围内可始终保持稳定，进而在线圈偏移下保证了电流输出的稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种电路结构示意图；

图2为本发明的另一种电路结构示意图；

图3为本发明原边电路设置双线圈结构的一种电路结构示意图；

图4为图3对应的一种线圈结构；

图5为本发明原边电路设置双线圈结构的另一种电路结构示意图；

图6为图5对应的一种线圈结构；

图7为图5对应的另一种线圈结构；

图8为本发明原边电路和和副边电路均设置双线圈结构的一种电路结构示意图；

图9为图8对应的一种线圈结构；

图10为本发明原边电路和和副边电路均设置双线圈结构的另一种电路结构示意图；

图11为图10对应的一种线圈结构；

图12为图10对应的另一种线圈结构；

图13为本发明原边电路和和副边电路均设置双线圈结构的另一种电路结构示意图；

图14为本发明辅助补偿电感与主线圈、从线圈集成时的一种线圈结构。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1至图14，一种用于无线电能传输的双线圈结构，包括原边电路和副边电路，原边电路与电源输入端连接，电源输入端为原边电路供电，电源输入端输入的电源优选为高频电源。副边电路与用电装置连接。

还包括双线圈结构100，双线圈结构100位于原边电路或副边电路中的至少一处，如图1中所示，当左侧认为是原边电路时，原边电路中设置双线圈结构100，电源输入端作为外部电路，双线圈结构100接入到电源输入端，此时副边电路可以通过其他补偿电路与用电装置连接。当左侧认为是副边电路时，副边电路中设置双线圈结构100，用电装置作为外部电路，双线圈结构100接入到用电装置，此时原边电路可以通过其他补偿电路与电源输入端连接。也可以如图8、图10或图13所示，在原边电路和副边电路中均设置一个本发明的双线圈结构100，此时原边电路上的双线圈结构100接入到电源输入端，副边电路上的双线圈结构100接入到用电装置。

双线圈结构100包括主线圈W1和从线圈W2。主线圈W1的自感为L₁，从线圈W2的自感为L₂。主线圈W1和从线圈W2分别与原边电路、副边电路中的其他线圈存在磁场耦合。即：当原边电路设有双线圈结构100时，主线圈W1、从线圈W2、副边电路中的副边线圈两两之间皆存在磁场耦合；当副边电路设有双线圈结构100时，主线圈W1、从线圈W2、原边电路中的原边线圈两两之间皆存在磁场耦合；当原边电路和副边电路均设有双线圈结构100时，原边电路中的主线圈W1和从线圈W2、副边电路中的主线圈W1和从线圈W2两两之间皆存在磁场耦合。

主线圈W1与从线圈W2之间可以存在磁场耦合，即主线圈W1与从线圈W2之间的互感不为零。当主线圈W1与从线圈W2处于同一层结构，主线圈W1位于从线圈W2的内侧或外侧。如图6中所示，主线圈W1位于从线圈W2的内侧。当主线圈W1与从线圈W2处于两层结构时，主线圈W1位于从线圈W2的上方或下方。如图7中所示，主线圈W1位于从线圈W2的下方。

主线圈W1与从线圈W2之间也可以存在解耦。即主线圈W1与从线圈W2之间不存在磁场耦合，即主线圈W1与从线圈W2之间的互感为零。如图4或图9中所示，主线圈W1与从线圈W2通过部分线圈交叠实现解耦。

主线圈W1与主补偿电容串联后与辅助补偿电容并联，再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路。其中，主线圈W1的自感为L₁，主补偿电容的电容值为C₁，辅助补偿电容的电容值为C_f，辅助补偿电感的电感值为L_f。从线圈W2与从补偿电容串联形成从谐振电路。其中，从线圈W2的自感为L₂，从补偿电容的电容值为C₂。主谐振电路与从谐振电路并联后形成本发明的双线圈结构100，该双线圈结构100连接到外部电路。

辅助补偿电感与主线圈W1或从线圈W2集成在同一个磁芯上，根据实际情况也可以不集成在一个磁芯上。辅助补偿电感分别与原边电路、副边电路中的其他线圈存在磁场耦合或存在解耦。具体的，当原边电路设有双线圈结构100时，辅助补偿电感分别与主线圈W1、从线圈W2、副边电路中的副边线圈存在磁场耦合或存在解耦；当副边电路设有双线圈结构100时，辅助补偿电感分别与主线圈W1、从线圈W2、原边电路中的原边线圈存在磁场耦合或存在解耦；当原边电路和副边电路均设有双线圈结构100时，每个辅助补偿电感分别与各自对应的主线圈W1和从线圈W2、对边的主线圈W1和从线圈W2、另一个辅助补偿电感存在磁场耦合或存在解耦。如图13和图14所示，原边电路和副边电路上均设有双线圈结构100，且双线圈结构100中的辅助补偿电感的线圈Wf1均位于最内侧，与其他线圈无交叠且均存在磁场耦合。

主线圈W1与主补偿电容、辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₁为主线圈W1的自感，C₁为主补偿电容的电容值，C_f为辅助补偿电容的电容值。

参照图2，当：

时，双线圈结构100中不接入主补偿电容，主线圈W1直接与辅助补偿电容并联再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路。

辅助补偿电感与辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L_f为辅助补偿电感的电感值，C_f为辅助补偿电容的电容值。

从线圈W2与从补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₂为从线圈W2的自感，C₂为从补偿电容的电容值。

实施例一：

参照图3和图4，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路上设置有双线圈结构100，双线圈结构100接到的外部电路为电源输入端，副边电路经其他补偿电路与用电装置连接。

双线圈结构100中，主线圈W1、从线圈W2分别与副边电路上的副边线圈W3存在磁场耦合，M₁₃和M₂₃均为互感值。如图4中所示，主线圈W1和从线圈W2之间通过部分线圈交叠实现解耦。

副边线圈W3反射到原边线圈W1的阻抗为：

副边线圈W3反射到原边线圈W2的阻抗为：

从原边输入端看进去的输入阻抗是：

其中，//代表并联。

由于反射阻抗Z_R1和Z_R2的幅值皆随互感减小而减小，从输入阻抗表达式可看出，随互感减小，

幅值增加，而Z_R2减小，从而使输入阻抗在一定互感范围内保持稳定，提高无线电能传输***在偏移下的输出稳定性。

实施例二：

参照图5至图7，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路上设置有双线圈结构100，双线圈结构100接到的外部电路为电源输入端，副边电路经其他补偿电路与用电装置连接。

双线圈结构100中，主线圈W1、从线圈W2分别与副边电路上的副边线圈W3存在磁场耦合，M₁₃和M₂₃均为互感值。主线圈W1和从线圈W2之间存在磁场耦合，M₁₂为互感值。存在磁场耦合的方式有两种，如图6所示，主线圈W1位于从线圈W2的内侧。如图7中所示，主线圈W1位于从线圈W2的下方。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

实施例三：

参照图8和图9，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路和副边电路上均设置有双线圈结构100，左侧的双线圈结构100接到的外部电路为电源输入端，右侧的双线圈结构100接到的外部电路为用电装置。

为了进行区分，将左侧的双线圈结构100中：辅助补偿电容的电容值为C_f1，辅助补偿电感的电感值为L_f1。右侧的双线圈结构100中：主线圈定义为主线圈W4，主线圈W4的自感为L₄，主补偿电容的电容值为C₄，辅助补偿电容的电容值为C_f2，辅助补偿电感的电感值为L_f2。从线圈定义为从线圈W3，从线圈W3的自感为L₃，从补偿电容的电容值为C₃。

主线圈W1、从线圈W2分别与副边电路中的从线圈W3、主线圈W4存在磁场耦合，M₁₃、M₁₄、M₂₃和M₂₄均为互感值。主线圈W1和从线圈W2之间通过部分线圈交叠实现解耦。从线圈W3和主线圈W4之间通过部分线圈交叠实现解耦。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

实施例四：

参照图10至图12，与实施例三不同的是，主线圈W1和从线圈W2之间也存在磁场耦合，M₁₂和M₃₄均为互感值。如图11所示，当所有的线圈位于同一层结构上时，主线圈W1位于从线圈W2的内侧，主线圈W4位于从线圈W3的内侧。如图12所示，当线圈位于不同层结构上时，主线圈W1位于从线圈W2的下方，主线圈W4位于从线圈W3的下方。也可以主线圈W1和从线圈W2位于同一层结构上，而从线圈W3和主线圈W4位于两层结构上。只要能实现主线圈W1位于从线圈W2的磁场耦合，从线圈W3和主线圈W4的磁场耦合即可。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

实施例五：

参照图13和图14，与实施例四不同的是，辅助补偿电感与同一边对应的主线圈W1、从线圈W2集成在一起，此时的辅助补偿电感与其他线圈均存在互感(互感值未标注)。如图14中所示，当所有的线圈位于同一层结构上时，原边电路中的辅助补偿电感的线圈Wf1位于从线圈W2内侧，从线圈W2位于主线圈W1内侧，副边电路中的辅助补偿电感的线圈Wf2位于从线圈W3内侧，从线圈W3位于主线圈W4内侧。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于无线电能传输的双线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；

其特征在于，还包括一双线圈结构，所述双线圈结构位于所述原边电路或所述副边电路中的至少一处，所述双线圈结构包括：

一主线圈，与主补偿电容串联后与辅助补偿电容并联，再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路；

一从线圈，与从补偿电容串联形成从谐振电路；

所述主谐振电路与所述从谐振电路并联后连接到外部电路。

2.如权利要求1所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述主线圈、所述从线圈分别与所述原边电路、所述副边电路中的其他线圈存在磁场耦合。

3.如权利要求1所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述辅助补偿电感与所述主线圈或所述从线圈集成在同一个磁芯上或远离所述主线圈或所述从线圈。

4.如权利要求1所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述辅助补偿电感分别与所述原边电路、所述副边电路中的其他线圈存在磁场耦合或存在解耦。

5.如权利要求1所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，当所述原边电路设有所述双线圈结构时，所述主线圈、所述从线圈、所述副边电路中的副边线圈两两之间皆存在磁场耦合；

当所述副边电路设有所述双线圈结构时，所述主线圈、所述从线圈、所述原边电路中的原边线圈两两之间皆存在磁场耦合；

当所述原边电路和所述副边电路均设有所述双线圈结构时，所述主线圈和所述从线圈、对边的所述主线圈和所述从线圈两两之间皆存在磁场耦合。

6.如权利要求1所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述主线圈与所述从线圈之间存在解耦。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述主线圈与所述主补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₁为所述主线圈的自感，C₁为所述主补偿电容的电容值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

8.如权利要求7所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，当：

时，所述双线圈结构中不接入所述主补偿电容，所述主线圈直接与所述辅助补偿电容并联再与辅助补偿电感串联形成主谐振电路。

9.如权利要求1至6中任意一项所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述辅助补偿电感与所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L_f为所述辅助补偿电感的电感值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

10.如权利要求1至6中任意一项所述的用于无线电能传输的双线圈结构，其特征在于，所述从线圈与所述从补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₂为所述从线圈的自感，C₂为所述从补偿电容的电容值。

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